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辽宁科技大学工程硕士论文 摘要 r h - , t b 真空精炼超低碳钢工艺控制模型的研究 摘要 随着科学技术的发展，对炼钢的生产率、钢的成本、钢的纯洁度以及 使用性能，都提出了愈来愈高的要求。r h 法即真空循环精炼法最早问世于 西德，多年来，由于对该工艺的不断探索和开发以及r h 设备的不断完善， r h 法己成功用于钢水的脱碳、脱氧、成分控制、吹氧升温、超低碳冶炼、 脱硫和改变夹杂物形态等方面，由最初仅处理少量的高级钢种发展为大量 处理一般钢种的工艺手段。但也存在处理过程中钢水温降大，生产超低 碳钢或生产相当低的 h 、 n 、 0 类纯净钢时处理周期长等问题。 本课题简述了r h 钢水真空处理技术的现状、发展趋势、r h 的工艺过 程、工艺参数，i f 钢的生产等。在对r h t b 脱碳机理研究的基础上，分析 了真空度、循环流量、脱碳终点钢水含氧量等因素对r h t b 脱碳速率的 影响，对工艺参数进行了优化，并在此基础上初步制定了工艺控制模型， 用于指导操作工的实际操作，对鞍钢第三炼钢连轧厂生产超低碳钢具有现 实意义。 关键词：r h t b ，深脱碳，超低碳钢，工艺控制模型 辽宁科技大学工程硕士论文 a b s t r a d ： t h es t u d yo ft e c h n i c sc o n t r o lm o d e lo fr h t bv a c u u m r e f i n i n gu l t r al o wc a r b o ns t e e l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h er e q u i r e m e n to f t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fs t e e l m a k i n g ，c o s t ，p u r i t ya n du s ec a p a b i l i t yo f s t e e lh a v eb e e nm o r ea n dm o r ei m p r o v e d r hm e t h o dn a m e l yv a c u u m c i r c u l a t i o nr e f i n i n gm e t h o dw a se a r l yp u b l i s h e di nw e s tg e r m a n f o rm a n y y e a r s ，b e c a u s et h i sp r o c e s sh a sb e e nc o n t i n u o u s l ys e a r c h e d ，e x p l o i t e da n d c o n t i n u o u sm e l i o r a t i o n ，i th a sb e e ne m p l o y e do nd e c a r b o n i z a t i o n ，d e o x i d a t i o n c o m p o s i t i o nc o n t r o l ，r a i s i n gt e m p e r a t u r e ，s u p p e r l o wc a r b o ns t e e lm e l t i n g ， d e s u l f u r a t i o na n di n c l u s i o ns h a p em o d i f i c a t i o na n ds oo n ，i th a sd e v e l o p e d i n t oam e t h o du s e dt ot r e a tw i t hag r e a td e a lo fg e n e r a l g r a d es t e e lb u tn o t e a r l yu s ei nas m a l lq u a n t i t yo fh i g h - g r a d es t e e lt r e a t m e n t b u ti ts t i l le x i s t s f o l l o wq u e s t i o n s ：h i g ht e m p e r a t u r ef a l ld u r i n gp r o c e s s ，l o n gt r e a t m e n tt i m e w h e np r o d u c i n ge i t h e rs u p p e r l o wc a r b o ns t e e lo rr a t h e rl o w h i ， n ，【o 】 s t e e l i nt h i sp a p e r , t h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fr h v a c u u mt r e a t m e n t t e c h n o l o g y i s b r i e f l yi n t r o d u c e d ，a n d r h p r o c e s s ， p a r a m e t e r sa sw e l la sp r o d u c t i o no fi fs t e e la r ei n t r o d u c e d ，o nt h eb a s eo f s t u d y i n gt h ed e c a r b o n i z a t i o nm e c h a n i s mo fr h t b ，a n a l y z e de f f e c to ff a c t o r s o i lt h ed e c a r b u r i z a t i o ni nt h i sp a p e r t h e s ef a c t o r si n c l u d ep r e s s u r ei nt h e v a c u u m ，c i r c u l a t i o nr a t eo ft h em o l t e ns t e e l ，l i f t i n ga rg a sf l o wr a t e ，f r e e n e s s o x y g e nv a l u ei nt h ed e c a r b o n i z a t i o ne n d p o i n ta n dt h eo t h e ro p e r a t i n gf a c t o r s w h i c hc a nb eu s e di no p t i m i z i n gt h er e f i n i n gt e c h n o l o g y t h e s ep a r a m e t e r s c a nb eu s e dt om a k eu l c si nt h en o 3s t e e l m a k i n ga n dh o t r o l l i n gm i l lo f a n s t e e 】 k e yw o r d s ：r h - t b ，d e e pd e c a r b u r i z a t i o n ，u l t r al o wc a r b o ns t e e l ( u l c s ) ，t e c h n i c sc o n t r o lm o d e i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：吴世7 晓日期：皇! 王；i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：兰堂垒 导师签名： 兰! 】生e l 期：! 坐” 辽宁科技大学工程硕士论文 引言 引言 最早汽车用薄板钢均由低c 低s i 沸腾钢生产，其延展性、冷变形性、 焊接性好，得到了广泛的应用。但其缺点是，薄板冷变形过程易发生不连 续的屈服，在板面上留下痕迹，已不能满足汽车工业的要求。同时，随着 世界范围内的能源问题日益突出，汽车重量的降低成为了必然趋势。也就 是说，要求汽车用钢板必须是在保证强度的前提下，达到更高的变形性能， 这样才能减少钢板的用量，从而降低汽车重量。因此，近年来超低碳钢得 到了飞速地发展。 r h 真空精炼技术是在1 9 5 9 年由德国鲁尔钢( r u h r s t a h l ) 公司( 后 改为莱茵钢r h e i n s t a h l 公司，现为a t h 公司) 和真空泵厂家赫拉乌斯 ( h e r a e u s ) 公司联合开发的。最初的开发目的是为了去除钢水中的氢， 以避免钢锭中自点缺陷的产生。因此，r h 精炼仅限于大型锻件用钢、厚板 钢、硅钢、轴承钢等对气体有较严格要求的钢种，应用有限”1 。但是，进 入2 0 世纪8 0 年代，在该技术的应用过程中，人们发现r h 真空精炼技术 更适于生产超低碳钢。因此，r h 真空精炼技术得到了快速的发展，并派生 出了多种工艺形式，r h 的主要功能也由原来单一的脱氢设备转变为包含真 空脱碳、吹氧降碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成份等多功能的炉 外精炼设备。同时，r h 真空精炼技术的发展也促进了超低碳钢在汽车等工 业的应用。 鞍钢第三炼钢连轧厂于2 0 0 5 年和2 0 0 6 年分别建成投产了两座r h t b 真空精炼炉。该炉由钢包回转、升降系统，真空室系统，真空泵系统，物 料添加系统和顶枪系统等组成。公称容量为2 6 0 吨，最低真空度可达到 0 6 7 m b a r ，可生产超低碳钢、低碳钢、高级别管线钢等低碳钢种及对氢、 氮有严格要求的特殊用途钢种。 r h 真空精炼的关键技术是脱碳技术，同时温度控制及夹杂物控制等 也对钢水质量及成材的性能有着重要的影响。本课题通过对鞍钢第三炼钢 连轧厂r h 真空精炼超低碳钢的研究，分析了影响真空精炼效果的因素， 对工艺参数的控制进行了优化，并建立了用于指导人工操作的工艺控制模 型。 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 。1 r h 真空处理历史背景 1 1 1 钢中气体、非金属类夹杂物及其对钢质量的影响 钢中除了含有各神常规元素和合金元素外，还含有微量的气体( 氢、 氮和氧) 及非金属夹杂物。由于氧在钢中与合金元素结合成各种类型的氧 化物，以非金属夹杂物形式存在于钢中，所以钢中的气体通常是指溶解在 钢中的氢和氮，其含量大致波动在1 1 0 0 p p m 之间。虽然钢中气体和非金 属夹杂物的含量不高，但对钢的质量和性能会产生较大影响，甚至导致钢 材报废。 1 、氢对钢质量的影响 钢中含氢有害无利，它对钢的不良影响主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 氢脆。氢脆是氢对钢的机械性能不良影响的重要表现。随着钢中 含氢量的增加，钢的强度特别是塑性和韧性将显著下降，使钢变脆，称为 氢脆。氢脆随钢强度的增高而加剧，因此对高强度钢来说，氢脆尤为突出， 高强度钢平均含氢量不到1p p m 就可能出现氢脆。氨脆在1 0 0 到+ 1 0 0 温度范围内显示出来，而以室温附近最敏感。 ( 2 ) 白点。氢以氢原子形式溶解在钢中，在钢液中的溶解度比在固 态钢中大得多。当温度下降时，氢在钢中的溶解度降低，氢原子便扩散到 显微孔隙、夹杂物附近或晶界间，结合成氢分子( 2 h 卜 h 2 ) ) 。因氢分子 半径大，不能向它处扩散，氢分子在该处不断地聚集，同时产生巨大的压 力，当其聚集压力超过该处钢的强度极限时，产生裂纹，使钢的机械性能 ( 特别是塑性) 降低，甚至断裂。裂纹的部位常呈银白色圆点，称为白点。 白点通常在钢材轧制后冷却到l5 0 到2 5 0 。c 以下才产生。白点对钢 的性能有极不利的影响，主要表现在降低钢的力学性能，零件淬火时会开 裂，或使用时裂纹发展造成的事故。所以白点是钢材不允许存在的缺陷， 产生白点的钢材应判为废品。 ( 3 ) 钢中含有较多的氢还会使钢锭产生点状偏析，以及使钢锭上涨 或产生内部疏松。 钢中的氢主要来源于以下几个方面： ( 1 ) 原材料中的水分解的氢。石灰、铁矿石、氧化铁皮、铁合金等 原材料潮湿、烘烤不良，废钢中的铁锈，铁水中溶解的氢，氧气中的水分 2 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 等是钢中氢的主要来源。石灰的吸水性很强，加入量大对钢的含氢量影响 较大。 ( 2 ) 新砌炉衬、补炉料、未烘干的钢包和温度比较低的钢锭模也都 含有水。 ( 3 ) 耐火材料中的油类，沥青中含氢8 - 9 ，在炼钢的高温下裂解， 部分氢将溶于钢中。 另外，出钢过程中钢流吸气等原因，也将增加钢中氢含量。钢中的气 体含量主要取决于气体在钢中的溶解度。溶解度决定于钢液温度和它们在 气相中的分压。 2 、氮对钢质量的影响 氮对钢质量的影啊表现为不良和有益两个方面。不良影响主要表现在 以下几个方面： ( 1 ) 氮使钢产生时效硬化。氮在1 6 0 0 钢液中的溶解度高达0 0 4 ， 而在室温时却为o 0 0 1 。当钢中含氮量较高时，在低温下它是过饱和状态， 必然从钢中析出。但是钢中的氮不是以气体存在，而是呈弥散的固态氮化 物缓慢地从钢中析出，逐渐地改变着钢地性能，使钢的强度和硬度增加， 塑性和冲击韧性显著降低，这种现象称为老化或时效。钢中含氮量越高， 老化现象越严重。老化时还引起磁导性降低，电阻增大。老化现象是有害 的，因而氮是有害元素。 向钢中加入足够数量( 1 - 2 k g t ) 的铝，使之除与氧结合外，还剩余一部 分能与氮结合形成稳定的a 1 n ，限制氮化铁的生成和析出，可以改善钢的时 效现象。 ( 2 ) 钢中含氮是导致蓝脆的主要原因。所谓蓝脆是指在2 5 0 一4 5 0 这个温度范围内钢的强度升高，冲击韧性降低；由于钢在这个温度下加热 时，表面发蓝而得名。 ( 3 ) 钢液中含氮高时还会导致钢锭疏松甚至产生气泡，如果皮下气 泡距钢锭表面太近，热轧时容易引起开裂使钢锭报废。 ( 4 ) 在氮和氢同时存在的条件下，使氢的腐蚀更加剧烈，这是由于 氮能生成比碳化物更稳定的氮化物，使碳从碳化物中分解出来，从而加快 了氢和碳的反应。 氮对某些钢种能起有益作用，增加钢中含氮量可以改善钢的某些性 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 能。如在高铬钢中加入氮可使其强度提高，但塑性却没有降低。氮可以增 强不锈钢抗点腐蚀能力。氮和钒可以形成氮化钒细化晶粒。对含铬、妮、 钦、铝等元素的钢部件进行表面渗氮处理，可以提高其耐磨性、抗蚀性和 抗疲劳性能。 3 、氧对钢质量的影响 氧在钢中主要以f e o 形式存在。氧对钢性能的影响即破坏钢锭的合理 结构，降低钢的机械性能( 如钢的塑性、韧性) ，残留在钢中的f e o 能同钢 中的f e s 形成9 t 0 的低熔点共晶体( 机械混合物) ，分布在晶界上，从而 加剧硫对钢的热脆性。 钢中氧主要来源予炉料( 如铁合金、硅酸盐等) 、炉气和所加入的脱氧 剂。此外，在转炼钢过程中金属中的各种杂质主要是通过氧化的方式( 加入 铁矿或吹氧) 来去除，所以金属中都含有大量的氧。 4 、非金属夹杂物对钢质量的影响 钢中非金属夹杂物按其化学成分不同可分为氧化物、硫化物、氮化物 等，而以氧化物( 如f e o 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 ) 、硫化物( 主要是f e s 、m n s ) 以 及它们组成的各种不同成分的硅酸盐等复杂化合物，占钢中夹杂物的绝大 部分。? 按钢中夹杂物来源可分为内在夹杂物和外来夹杂物两类。内在夹杂 物是钢水在熔炼和冷凝过程中物理化学反应生成的、未能从钢水中排除的 反应生成物，如m n o 、s i 0 2 、m n s 、t i n 等，这是钢中非金属夹杂物的 主要部分。外来夹杂物是在熔炼、出钢和浇铸过程中落人和混入钢水的耐 火材料和炉渣( 如与生铁、废钢等一起进入炉内的非金属物质) 。 钢中非金属夹杂物所占数量或总体积虽然不多，但它们在钢中呈独立 存在，与钢本身性质完全不同，它破坏了钢的基体的连续性，造成了组织 上的不均匀，从而降低了钢的强度、塑性、韧性，使钢的冷热加工性能乃 至某些物理性能变坏。 夹杂物的形态、数量、大小和分布的不同，对钢性能的影响也不同。 如均匀分布的细小夹杂物其危害性较小，而大颓粒或局部集中的缅小夹杂 物，其危害性大。总的说来，夹杂物越多，对钢材危害越大。 但非金属夹杂物也有有利的一面，如硫化物夹杂使钢材脆性增加，可 改善钢的切削性能；而弥散的细小氮化铝夹杂可细化钢的晶粒。 非金属夹杂物对绝大多数钢种是有害物质，应设法减少。并要通过控 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 制其组成、形状、大小和分布，来改善其对钢性能的影响。 1 1 2r t i 真空处理的历史背景 1 8 5 5 年英国人亨利贝塞麦( h e n r yb e s s e m e r ) 发明了酸性空气底吹转 炉炼钢法，用铁水直接炼钢，第一次解决了大规模生产液态钢的问题，使 钢铁工业开始转变成现代生产。贝塞麦转炉虽然能大幅提高生产率，但由 于是用空气炼钢，使得空气中大量的氢、氮等有害气体进入钢中；且由于 采用酸性炉衬，不能在冶炼过程中脱磷、脱硫，因此贝塞麦炼钢法受到了 限制。 18 7 8 年英国人西德尼托马斯( s i d n yt h o m a s ) 发明了碱性空气底吹转 炉炼钢法，使用了碱性炉衬，解决了不能在冶炼过程中脱磷、脱硫的问题 从而使得转炉炼钢法开始迅速发展起来。这种炼钢法因为仍然使用空气进 行冶炼，还是没有解决大量有害气体进入钢中的问题。 二十世纪中叶，从空气中大量分离氧气技术的成功，能为工业生产提 供大量廉价的氧气，使得用纯氧炼钢的转炉炼钢法得以实现。二十世纪4 0 年代末，氧气顶吹转炉由瑞士人罗伯特杜勒( r o b e r t d u r r e r ) 试验成功。由 于氧气顶吹转炉炼钢法具有反应速度快、热效率高等优点，又克服了空气 吹炼时质量差、品种少的缺点，还可以使用3 0 的废钢，因此生产率高， 成本低，钢的质量明显地得到改善。该种炼钢法成为二十世纪发展最快的 一种炼钢技术。 随着氧气顶吹转炉几十年的发展，该种炼钢法的生产节奏、钢的冶炼 品种与质量等都己基本挖掘到极限。在此条件下，若想进一步缩短其冶炼 周期、进一步提高钢的质量和用转炉生产新的某些钢种已基本没有可能 性。而现代工业的发展，对钢的产量、品种和质量等又提出了越来越高的 要求，这就迫使炼钢工作者寻求新的炼钢工艺，于是产生了炉外精炼法( 即 二次冶炼、。炉外精炼是把由炼钢转炉初炼的钢水倒入钢包或专用容器内进 一步精炼的一种方法，即把全部冶炼任务只由转炉完成的步炼钢法，转 变为转炉只承担熔化、粗脱碳、去磷、初调成分及温度等初炼任务，然后 通过二次精炼，完成脱气、脱硫、脱磷、脱碳、合金微调、温度调整等功 能的分步炼钢法，从而大大地缩短了转炉韵冶炼周期，提高了钢的质量， 并能生产出用一步炼钢法不能生产的某些钢种( 如超低碳钢等) 。实现了高 效、低耗、优质和多品种的最佳化生产。炉外精炼法起始于二十世纪5 0 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 年代初期，8 0 年代后获得了迅速发展。 r h 真空处理是众多的炉外精炼法中的一种，它是1 9 5 7 年由原西德鲁 尔( r u h r s t a h l ) 和海拉斯( h e r a e u s ) 钢厂联合研制的真空循环脱气精炼法， 取两公司名称的首字母简称而来。r h 真空处理的主要任务是脱气，并通 过钢水循环使得非金属夹杂物上浮、均匀钢水成分和温度，同时通过物料 添加系统使其具有脱氧、脱碳、脱硫、脱磷、成分微调等多项冶金功能。 r h 工艺是与十九世纪以来迅猛发展的炼钢技术( 特别是转炉炼钢) 密切相 关的一种二次冶金技术。 1 2 超低碳锈 1 2 1 超低碳钢的现状与发展 1 、超低碳钢的含义 超低碳钢的碳含量范围视具体要求而异。没有个公认的严格标准。 一般认为c o 0 2 的钢就是超低碳钢，这主要是根据铁碳相图和一般转 炉的冶炼极限来确定的1 1 。也有文献 2 - 4 1 将c o 0 3 称为超低碳钢 ( u l t r a l o w 。c a r b o ns t e e l ，u l c s ) ，而将c 0 0 1 称为超微碳钢 ( e x t r a l o w ，c a r b o ns t e e l ) 。还有人【5 把超纯不锈钢也归为超低碳钢，这种 类型的钢 c 约小于o 0 l 。表1 1 中列举了典型的几种超低碳的碳含量。 j 表1 1 几种超低碳钢的含碳量 r 锄种 c l z l f 镧( 凳翦可群辫公嗣) b w l 1 8 ( 中爨黧钢) 潆钢( 隧绺j i | 蜂) u 舀( 趣低璇贝氐体钢) 0 0 勃1 7 n 1 1 4 m 0 2 上锯蕊厂) 怒甑骥铡( 旃慧 0 ，0 0 3 o 静0 3 2 0 0 0 2 8 0 瓣2 5 0 + 0 1 o 国0 5 2 、超低碳钢的钢种和性能 冶金工作者 6 7 1 崎良早就认识到降低钢的含碳量，尤其是降低在超低 碳范围内的含碳量可改善钢的加工性能和使用性能。超低碳钢表现出来的 各种优良性能使其得到了越来越广泛的应用，下面以几种超低碳钢说明超 辽宁科技大学工程硕士论文第一章文献综述 低碳含量对钢性能改善的情况： ( 1 ) 无间隙原子钢( i f ，i n t e r s t i t i a lf r e es t e e l ) 无间隙原子钢是低碳铝镇静钢经t i 或n b 处理而得到的。在超低碳钢 中加入适量的t i ，n b ，能够形成稳定的c ，n 化合物，从而使钢板具有较好 的深冲性能和延伸性能。 2 0 世纪6 0 年代，真空脱气技术的应用使钢中的c 、n 含量大大降低， 从而使固定c 、n 原子所必需的t j 或n b 量减少。同时，由于连续退火技 术的迅速发展，为i f 钢的经济生产提供了条件。1 9 7 0 年，美国的阿科姆 公司首先开发出i f 钢种并投入市场。8 0 年代，顶底复吹转炉和r h 真空 脱气的改造等冶金技术的进步使钢中碳含量可以经济地降到0 0 0 3 以下， 从而使传统的i f 钢 ( c 卜o 0 1 ，【n 】= o 0 0 3 ， t i 一0 i ) 发展成为现 代i f 钢( 【c 】0 0 0 5 ， n o 0 0 3 ， t i 一0 0 5 ) n 9 1 。8 0 年代后期，i f 钢得到了迅速发展，1 9 8 9 年全世界i f 钢产量超过了7 0 0 万吨u 州。 f 2 1 超低碳贝氏体钢( u l c b ，u l t r a l o wc a r b o nb a i n i t es t e e l ) 超低碳贝氏体钢是一种高强度结构钢，其碳含量在o 0 3 左右。传统 的屈服强度超过6 9 0 m p a 的钢种只有马氏体钢，其含碳量o 2 左右，并含 有一定的合金元素以保证淬透性。通过适当的调质处理，马氏体钢可以具 有足够的强度和韧性，但其焊接性能依然很差。超低碳贝氏体钢依靠固溶 强化、沉淀强化和位错强化可以在获得良好的焊接性能的同时具有良好的 强韧性。 1 9 6 7 年m c e r i c l y 就注意到u l c b 的优点，1 9 6 9 年c o l d r e n 等人对从 低碳到超低碳贝氏体钢的组织和性能进行了一系列研究，对发展超低碳贝 氏体钢作出了有益的贡献。1 9 8 0 年，新日铁开发出用于北极的大口径高压 油气管线u l c b 钢，具有良好的低温韧性和焊接接性能。这些成果为今天 继续开发这类钢奠定了良好的基础。 ( 3 ) 超纯铁素体不锈钢( s c f s ，s u p e r - - c l e a nf e r r i t i es t e e l ) 不锈钢质量的中心问题是腐蚀问题。在不锈钢四种类型的腐蚀( 般腐 蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀) 中，以晶间腐蚀最为危险。在热处理 或焊接时，如果工艺不当，就可能在加热和冷却过程中，在晶界上析出铬 的碳化物，高铬钢中形成的碳化物为c r 2 3 c 6 这样，不锈钢中的碳就要与1 7 倍碳量韵铬结合成碳化铬，使晶界附近的铬含量低于固溶体内的含量，并 7 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 降至临界值( 1 2 ) 以下，造成品界处铬的贫化。贫铬区成为微阴极，c r 2 3 c 6 和其余铁索体区成为微阳极，构成了腐蚀的微电池，从而产生了晶间腐蚀 现象。 在实际生产中，解决晶间腐蚀问题的方法有三种【： 1 1 向钢中加t i 、n b 等强碳化物形成元素。在这种情况下，晶界附近 的碳多被t i 或n b 所固定，使碳不能大量扩散到晶界前析出c r 2 3 c 6 造成晶 界的贫铬现象，从而防止了晶界腐蚀。 2 ) 降低钢的碳含量。晶间腐蚀是晶界附近铬与碳形成碳化物后产生 的，因此降低钢中含碳量可以减轻晶间腐蚀倾向。 3 ) 改变晶界上碳化铬析出的数量和分布状态。近年来发展的r + 右双相 钢，在4 5 0 8 5 0 受热时，首先在右十r 相界处的6 铁素体一侧析出， 并呈分散点状，这样就减少了奥氏体晶界析出的c r 2 3 c 6 的量。同时由于铬 在铁素体中扩散系数比在奥氏体中大1 0 3 倍，所以不致在右铁素体内c r 2 3 c 6 析出物周围造成贫铬区，从而降低了晶间腐蚀倾向。很显然，无论从经济 上还是从技术上，降低钢的含碳量是解决不锈钢( 超纯铁素体不锈钢) 晶间 腐蚀问题的最实惠最有效的方法。 f 4 ) 硅钢( s i l i c o ns t e e l ) 硅钢主要用于制造各种变压器、电机和仪表的铁芯。它是发展电力、 通讯及控制元件的关键材料，在软磁材料中也占有极其重要的地位i l “”j 。 发达国家非常重视硅钢的生产技术。作为种特殊钢种，它对碳含量要求 极为严格。碳是对磁性影响最大的杂质元素，因为它与铁形成间隙式固溶 体，使晶格畸变严重，引起很大内应力，导致磁性明显下降。图1 1 1 1 4 给 出了碳含量对u 。( 最大磁导率) 和h e ( 矫顽力) 的影响。 早在1 9 2 5 年，w r u b e r 等人就己提出通过降低碳含量来降低磁滞损失， 但受当时生产技术条件的限制，产量和质量都不能保证，其原因就是无法 使钢中的碳降到允许的范围( 0 0 1 ) 。现在，利用真空精炼技术生产无取 向硅钢，该技术可使钢中的碳含量达到极低含量范围。这样的钢冷轧后无 需再脱碳，这为连续退火高速化创造了有利条件，并且可用于气氛代替湿 气氛退火，以防止钢板表面产生内氧化层，从而使铁损下降，导磁率提高， 非时效性加强。一般成品中的碳含量在o 0 0 3 以下就不会产生磁时效现象 1 1 5 1 6 1 。碳对磁时效的影响如图1 2 所示。 皇! 壁茎查塑塑主堡壅 箜二主壅垫鳖垄 嚣 襄 疆 委 群 誊 曼 图1 ，1 碳含量( ，) 对纯铁最大磁导率和矫顽力的影响 鼍 婪 铡 嚣 图1 2 铁损变坏率与含碳量之间的关系 3 、发展超低碳钢的意义 随着科学技术的不断进步，超低碳冷轧薄板( c s 3 0 1 0 6 ) 广泛应用 于汽车、家电、电子领域。由于固溶碳严重影响了钢的深冲性能，为了得 到表面质量和加工性能良好的冷轧薄板钢，必须降低钢中固溶碳含量。市 场对冷轧薄板钢需求量的不断增加，超低碳钢生产也在不断增加，超低碳 钢的需求量越来越大。 民篷簌 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 1 3r r l 处理超低碳钢精练技术 实践证明，世界上生产超低碳钢使用最多、最好的设备是r h 。最早 ( 1 9 8 1 年) 用r h 与连铸机配合生产u l c s 是川崎的水岛厂和千叶厂( 1 9 8 6 年正式申请为r h k t b ) ，随后是日本钢管的京滨厂( 1 9 8 3 年) 和福山厂 ( 1 9 8 4 年) ，新日铁广灿厂( 1 9 8 4 年) 采用v a d 精炼，由于成木和质量原因， 1 9 9 0 年初，改为r h o b 2 l 】。 北美东芝加哥的i n l a n d 厂( 1 9 8 4 年7 月) 从日本引进r h o b ，1 9 8 7 年5 月正式生产出【c 】o 0 1 、o 0 0 5 、o 0 3 三种品级的u l c s 。为了有效脱 碳和改善表面质量，i n l a n d 厂把转炉、钢包及r h ，o b 开始时【0 分别控制 在0 0 6 、o 0 5 、0 0 4 【2 ”。 美国国立钢铁公司( n a t i o n a ls t e e lc o r p ) 盐湖厂( 1 9 9 4 年4 月) 3 l 投产一台 r h o b ，实现计算机控制，o b 过程降低转炉出钢温度5 0 f 2 3 1 。 美国俄亥俄州a k 公司( 1 9 9 5 年2 月) 开始使用r h k t b ，生产出 c 】 o 0 0 3 0 0 0 5 的i f 型u l c s 。其产品占全美u l c s 的9 0 ；同时还生 产c 为0 0 0 5 。0 0 1 级的普钢和硅电工钢 2 4 1 。 法国s o l l a cd u n k i r k 钢铁公司( 1 9 8 9 年) 用l b ec o n v e r t e r - r h o b 生产 u h c s ，年产量为13 0 万吨瞄j 。 英国于1 9 8 9 年开始用r h k t b 作为脱碳设备生产超低碳钢，使用结 果表明该设备不仅能生产合格u l c s ，而且运行性能比r h o b 好。其终 点碳可以控制在o 0 0 3 一0 0 0 4 。 德国b e e c k e r w e r t h ( 1 9 8 6 年) 强化了没有o b 功能的r h ( 2 5 0 t ) j 个部 分【1 8 】增大了环流土升一管直径( 西5 0 0 0 1 0 0 0 ) ；增加了环流气体量 ( 5 0 0 0 n l m i n1 0 0 0 0 n l m i n ) ；提高了真空泵对真空减压速率。他们称之为 “r h 强化型”设备，并利用这套设备成功生产出r c 为o 0 0 1 、0 ，0 0 1 5 、 o 0 0 2 5 的u l c s 。应用结果表明，在三个最大值条件下才能使 c 】最低， 其中最显著影响是压降速率。与o b 型相比，强化型表现出两个特点：不强 制吹0 2 避免 o 】过高而被迫用a 1 ，减少a 1 2 0 3 夹杂危害i f 钢的质量；真空泵 抽气能力相对可以减小。 中国于1 9 9 2 年成功使用r h o b 生产出u l c s 。1 9 9 7 年武钢、宝钢 等率先引进r h k t b 设备和技术，生产出了许多具有国际水平的u l c s ， 在消化和改进方面做出许多有益的工作。 o 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 1 3 1 精练设备 女避释 图1 3r h 脱气原理装置 钢液真空循环脱气装置r h 是1 9 5 7 年由德国鲁尔( r h e i n s t a h l ) 钢铁公 司和黑罗依斯( h e r a e u s ) 公司共同设计开发的。r h 真空循环脱气装置主 要是由钢包、浸入管( 上升管、下降管) 以及真空室和抽真空系统构成。 当抽真空系统将真空室内抽成真空时，钢水被抽入真空室内。在钢水进入 真空室的状态下，从上升管的侧壁吹入氩气，吹入的氩气在高温、低压作 用下迅速膨胀，导致钢水与气体混合体的密度沿高度方向不断下降，在密 度差的作用下钢水从上升管流入真空室，在真空室内完成脱碳、去气等作 用后通过下降管返回钢包，完成一次循环，经过几次循环后，钢水就完成 了精炼任务。r h 装置做到了用一个较小的真空设备，分批处理大量钢液的 目的，其脱气效果好，处理过程中降温少，处理容量的适应性强，所以发 展较快，应用较广 2 7 1 。 r h 设备装置的结构形式主要有真空室旋转升降式、真空室固定式、真 空室垂直运动式( 也称上动式) 2 8 1 。 r h 设备装置的结构组成主要包括： 1 ) 真空室 它是r h 的主要工作部分。这里的主要参数是环流管内径、吹气方式和 深度、脱气室内径及高度，它们直接影响到其工作性能，如循环流量、混 合特性、滞留时间、脱气表面积，涉及到处理钢液的喷溅等。 2 ) 真空系统 它由连接真空室的真空管道和真空泵系统及有关仪表组成，通常为蒸 汽喷射泵。 3 ) 机械设备 辽宁科技大学工程硬士论文 第一章文献综述 它包括真空室的支持装置和升降机构( 随结构形式而定) 以及移动台 车。 4 ) 加热装置 它的作用是对真空室进行预热，以延长耐火材料寿命，防止粘铁并减 少处理过程中钢液的温度降。有煤气( 或天然气) 加热方式和电阻加热方 式两种。 5 ) 加料系统 对在处理中的钢液成分进行调整，加入脱氧剂等重要操作是必不可少 的。 6 ) 其它装置 除上述装置外，还有环流管修补台车，自动测温取样装置及观测系统。 这些装置对实际生产中生产率的提高及过程控制等有重要作用。 新一代的r h 功能不断扩大，从单纯脱气扩大到强制吹氧脱碳、升温、 控制成分和温度、喷粉( ( p b ) 脱磷硫、净化钢水等。目前，r h 的改进形式 主要有：r h 强化型、r h i j 、r h - - o b p b 、r h - - k t b p b 等( 装置示意 图见图1 4 一图1 7 ) 1 8 - 2 6 。表1 2 是日本几种r h 精炼设备相关参数的简 要介绍。 图1 4 r h - - o b 装置示意图 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 真空 图1 5 r h i j 装置示意图 流他藤 气 图1 6 r h p b 装置示意图 1 3 辽宁科技大学工程硕士论文第一章文献综述 瓣羚辩 图1 7 r h k t b 装置示意图 表i 2 目本几种r h 设备有关参数的简要介绍 睦氡滞斑 r 拊一c 堪r h “ r h - - p 8 ( c o o r 砌1 一- 靠b 教嗡器溺蕊日镁名古鼹新曰锾囊分r龋嚣毓毒击燧 ， 漪千埘r 弹裳时悯f 驰5 1 9 5 8 擘 j 9 9 7 掣t 9 8 8 越i 辩6 年 钢魏粹避2 7 0 3 4 租2 7 02 弼 裰耳蛰随轻赫m麓婚 铀6钌#7 5 0 镰环气事掌繁0 也触讯3 0 0 04 0 0 03 睁0 0 s 0 蟪懈艨辩摘 日簖靴i 5 。0 2 ，靠4 ，64 0 撼攘笛m 虹7 k ￥h 6 1 5 2 5 8 5 5 45 4 鞘稣 c 册 0 。o o l也 5o 1 3 a 。0 畦l 蛀联嗲鳓拥轴 1 5l 孺i sl s 1 3 2r h 工艺特点 1 、r h 精炼工艺的特点 如前所述，r h 循环脱气法的主要功能己经由原来单一的脱气设备发展 成为包含真空脱气脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成 分等的一种多功能炉外精炼设备，其主要精炼功能包括： 1 4 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 ( 1 ) 真空脱碳：r h 过程具有较强的脱碳功能，在2 5 m i n 处理周期内生 产f c _ 2 0 x 1 0 - 4 m a s s 的超低碳钢 2 9 1 。 ( 2 ) 真空脱气：可生产【h 】s 1 5 1 0 - 4 m a s s ，【n _ 2 0 x 1 0 。4 m a s s f f ：3 纯净 钢30 1 。 ( 3 ) 脱硫：采用r h p b ，r h i j ，r h k t b ，r h p t b 等处理后可以生 产s l _ q o x l 0 4 m a s s 的超低硫钢1 3 1 1 。 ( 4 ) 脱磷：经r h 喷粉处理后可生产 p 2 0 x 1 0 4 m a s s 的超低磷钢。 ( 5 ) 升温：采用r h k t b 处理，可降低转炉出钢温度2 6 3 ；r h o b 法加铝吹氧可使钢液提温，最大升温达8 1 0 。c m i n 【3 2 】。 ( 6 ) 均匀钢液温度：可保证连铸中间包钢液温度波动不大于士5 。 ( 7 ) 均匀钢液成分和去除夹杂物：可生产全氧含量【o 。s 15 l0 - 4 m a s s 的超纯净钢 3 3 1 。 ( 8 ) 进行合金微调：可生产钢种包括锻造用钢、高强钢、结构钢、 轴承钢、工具钢、不锈钢、电工钢、深冲钢等。 r h 精炼技术不仅用于处理一般钢种，而且己成为生产i f 钢、高级钢( 无 取向和取向硅钢) 及超低碳钢等的首选精炼工艺，并适合于大于5 0 吨的转 炉或大型电炉配套使用，其后多与连铸匹配。 2 、r h 精炼工艺法的优点 ( 1 ) 反应速度快，真空脱气周期短，一般1 0 m i n 可以完成脱气操作， 5 r a i n 能完成合金化及温度均匀化，可与转炉配合使用。 ( 2 ) 反应效率高，钢水直接在真空室内反应，钢中可达到【h s 1 0 1 0 ， n 2 5 1 0 6 ， c 】s 1 0 1 0 6 的超纯净钢。 ( 3 ) 可进行吹氧脱碳和二次燃烧热补偿，减少精炼过程的温降。 r h 循环脱气法与其他脱气方法相比，进入真空室的钢液量相对较少， 而且由于吹入的提升气体在上升管内生成大量气泡，进入真空室的部分钢 液呈细小的液滴，且处于沸腾状态，增大了钢液脱气面积，有利于脱气的 进行，脱气效果好；生产能力大，适用于大量钢液的处理；处理过程中钢 包内的钢液表面有炉渣覆盖，保温效果好，一般处理后温降仅为3 0 一 5 0 0 。c ，处理周期短，处理过程温降小；用同一设备能处理不同容量的钢 液，也可以在电弧炉和感应炉内进行，适应性强。 辽宁科技大学工程硕士论文第一章文献综述 3 3r h 的精炼功能 表1 3 对r h 的精炼功能做了比较。 表1 3r h 及r h 多功能精炼技术 序 类型开发厂家主要功能适用钢种 处理效果 备注 列 特别用于 原为钢水 对含氢量 脱氢开发 1 9 5 7 年前西真空脱气、要求严格 【h 】 2 1 0 - 4 m a s s 短时间可 德鲁尔钢铁减少杂质，钢种，主 1r h 【n 4 0 x 1 0 4 m a s s 使 h 】降 公司和黑罗均匀成分、要是低碳 o 2 0 1 0 4 m a s s 到远低于 依斯公司温度钢，超低 白点敏感 碳深冲钢 极限以下 g 同1 ，还可 1 9 7 2 年新日同1 ，并能吹生产不锈同( r h ) ， 为钢水升 2r h o b铁公司名古氧脱碳，加钢，多用 并可使终点 温开发 屋厂热钢水于超低碳 【c _ 3 5 x 1 0 - 4 m a s s 钢的处理 同1 ，主要 1 9 8 5 年新日 h 1 5 1 0 4 m a s s 喷枪插入 r h p b 同1 ，并可喷用于超低 3铁公司大分 s 】 1 0 1 0 - 4 m a s s 钢包内上 ( i j )粉脱硫、磷硫、磷钢 的处理 p 】 2 0 x 1 0 4 m a s s 升管下面 快速脱碳 同1 ，多用 h 1 ，5 1 0 - 4 m a s s 至超低碳 1 9 8 6 年日本同1 ，并可加于超低碳 4r h k t b川崎钢铁公速脱碳，补 钢，i f 钢， n 4 0 x 1 0 4 m a s s 范围，二 o 3 0 1 0 。4 m a s s 次燃烧补 偿热损失硅钢的处 c 】 2 0 x 1 0 4 m a s s 偿处理过 理 程热损失 同1 ，主要r n 4 0 x 1 0 - 4 m a s s r h p b1 9 8 7 年新日同1 ，并可喷从o b 孔 5用于超低 s 1 0 1 0 。4 m a s s ( o b )铁 粉脱硫、磷 喷入粉剂 硫、磷钢 p 卜= 2 0 10 。4 m a s s 1 6 辽宁科技大学工程硕士论文第一章文献综述 等的处理 同1 ，既可喷同1 ，还可h 1 ，5 1 0 - 4 m a s s 喷孔既可 1 9 9 2 年日本粉脱硫、磷，用于超低f n 4 0 x 1 0 - 4 m a s s 喷入粉 6r h m f b 新日铁 又可吹氧，硫、磷钢 o 3 0 1 0 4 m a s s 剂，又可 加速脱碳的处理 c 2 0 x 1 0 4 m a s s 吹氧 同1 ，主要 【h 1 ，5 x1 0 4 m a s s 1 9 9 4 年日本从k t b 同1 ，并可喷用于超低 i n 4 0 x 1 0 。4 m a s s 7r h p t b 住友金属喷枪喷入 粉脱硫、磷硫、磷钢【o 3 0 x 1 0 4 m a s s 工业公司粉剂 的处理 c 2 0 x 1 0 4 m a s s 同1 ，主要 1 9 9 4 年比利 h 1 5 】0 - 4 m a s s 速脱硫至 同1 ，并可喷用于超超 8m e s i d时 n 2 0 x 1 0 。4 m a s s 超低碳范 粉深冲钢